镍基单晶高温合金研究进展

镍基单晶高温合金研究进展

孙晓峰，金涛，周亦胄，胡壮麒

（中国科学院金属研究所，沈阳 110016）

摘要：单晶高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统涡轮叶片等部件。由于采用定向凝固工艺消除了晶界，单晶高温合金明显减少了降低熔点的晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温度范围进行固溶和时效处理，其高温强度比等轴晶和定向柱晶高温合金大幅度提高。经过几十年的发展，单晶高温合金已经在合金设计方法、组织结构与力学性能关系、纯净化冶炼工艺和定向凝固工艺等方面取得了重要进展。本文从单晶高温合金成分特点、合金元素作用、强化机理、力学性能各向异性、凝固过程及缺陷控制、单晶制备工艺等方面，简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。

关键词：单晶高温合金；强化机理；定向凝固；各向异性

Research Progress of Nickel-base Single Crystal Superalloys

Sun Xiaofeng, Jin Tao, Zhou Yizhou, Hu Zhuangqi

(Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Abstract:Single crystal superalloys have been widely used to make turbine blades and guide vanes for aero-engines and industrial gas turbines because of improved strength, creep-rupture, fatigue, oxidation and hot corrosion properties as well as stable microstructure and reliability at high temperature environments. After removal of grain boundary by using directional solidification technique, grain boundary elements which decrease the incipient melting temperature were reduced remarkably in single crystal superalloys. Consequently, the solution and aging treatment of single crystal superalloys can be done at higher temperature due to the enhanced incipient melting temperature, and then the high temperature strength of single crystal superalloys is higher than that of equiaxed and directionally solidified superalloys. There were great progress on approach of alloy design, relationship between structure and mechanical performances, process of pure smelting and processing of directional solidification in the last decades. The present work reviews these progress from compositions of alloys, role of elements, mechanism of strengthening, anisotropy of mechanical properties, procedure of solidification, control of defects and processing of single crystal superalloys.

Key words：single crystal superalloy；mechanism of strengthening；directional solidification；anisotropy of properties

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基金项目：国家973计划项目（2010CB631206）

通讯作者：孙晓峰，男，1964年生，研究员，博士生导师

1引言

高温合金（Superalloy）是以铁、镍、钴为基体的一类高温结构材料，可以在600℃以上高温环境服役，并能承受苛刻的机械应力。高温合金具有高的室温和高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统热端部件。高温合金研究的不断深入，不仅推动了航空/航天发动机等国防尖端技术的进步，而且促进了交通运输、能源动力、石油化工、核工业等国民经济相关产业的技术发展。

单晶高温合金消除了晶界，明显减少了降低熔点的晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温度范围进行固溶处理，其强度比等轴晶和定向柱晶高温合金大幅度提高，因而得到了广泛应用。自二十世纪80年代开始，PWA1480、CMSX-2、CMSX-3、SRR99等第一代单晶高温合金出现以来，单晶高温合金的研究取得了突破性进展。随着合金设计理论水平的提高和铸造工艺技术的进步，以及Re元素的添加，相继出现了以PWA1484、CMSX-4、RenéN5等为代表，耐温能力比第一代单晶高温合金高约30℃的第二代单晶高温合金[1-3]，和以CMSX-10、RenéN6等为代表，耐温能力比第一代高约60℃的第三代单晶高温合金[4-6]。近年来，通过添加Ru、Pt、Ir等元素，又发展出以MC-NG、TMS-138、TMS-162等为代表的第四代和第五代单晶高温合金[7-9]。

由于Re和Ru元素稀缺的储量和昂贵的价格，使得先进单晶合金的成本成倍地增加，制约了这些合金的推广应用。单晶高温合金当前的发展重点之一是研发低成本合金。通过优化合金成分，降低Re和Ru的含量，在保证性能的前提下，尽可能降低合金成本。法国ONERA发展的无Re合金MC2已经达到了第二代单晶高温合金的性能水平[10]。近来，美国的GE、C-M公司以及NASA在发展低成本合金方面也取得了重要进展[11,12]。2008年，GE公司在Rene N5合金的基础上研制了Rene N515（含1.5wt%Re）和Rene N500（无Re）合金，并对Rene N515合金在一些航空发动机上进行了测试，计划将其应用到GEnx 等发动机上[13]。我国发展了DD98系列无Re高性能合金，其高温力学性能基本达到了第二代单晶高温合金性能水平[14]。

本文从单晶高温合金元素作用、强化机理、制备方法、缺陷控制等方面，简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。

2 单晶高温合金的成分特点及强化元素作用

2.1单晶高温合金成分发展的主要特点

镍基铸造高温合金的发展经历了等轴晶、定向柱晶、单晶等几个阶段（如图1所示[9]），其承温能力不断提高。单晶高温合金经历了从第一代的无Re合金到第二代的含3%Re合金，再发展至第三代含6%Re的合金，以及在高Re基础上加入Ru、Ir等元素的第四代和第五代合金。表1给出了国内外典型单晶高温合金的主要元素成分[7,15,16]，可以看出单晶高温合金的成分发展有以下主要特点[15]：

图1高温合金承温能力的发展过程[9]

Fig. 1 History of improvement in temperature capability of Ni-base superalloys.

晶界强化元素从完全去除转为限量使用C、B、Hf等元素历来被看作是晶界强化元素，而且易于降低合金的初熔温度。而单晶合金没有晶界，在最初发展的PWA1480、CMSX-2等商用单晶合金中不含有这些元素，但近年来发展的单晶高温合金中又重新引入了这些元素。

难熔金属加入总量增加为了提高单晶高温合金的高温持久强度，W、Mo、Ta和Re 等难熔元素的加入量不断增加。以CMSX系列单晶合金为例，第一代为14.6wt.%，第二代为16.4wt.%，而第三代达到20.7wt.%。

Cr含量降低在第三代单晶合金中，Cr含量降至5wt.%以下，尤其是CMSX-10合金的Cr含量只有3wt.%左右。在第四代单晶合金MC-NG中，Cr含量也降到4wt.%。

稀土元素的应用在一些第二代和第三代单晶合金中，加入了Y、La和Ce等稀土元素，以改善单晶合金的抗氧化性能。

Ru元素的引入在发展第二代和第三代单晶合金时，已开始尝试加入元素Ru，美国的GE公司和法国的ONERA首先进行了该元素的合金化实验，并在此基础上研制出第四代单晶合金。

表1典型单晶高温合金的成分[7,15,16]

Table 1 Nominal compositions of representative single crystal superalloys

Generation Element

Cr Co Mo W Ta Re Hf Al Ti Ni other

1st PW A1480

René N4

SRR99

RR2000

AM1

AM3 10

9

8

10

8

8

5

8

5

15

6

6

—

2

—

3

2

2

4

6

10

—

6

5

12

4

3

—

9

4

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

5

3.7

5.5

5.5

5.2

6

1.5

4.2

2.2

4

1.2

2

Bal

Bal

Bal

Bal

Bal

Bal

0.5Nb

1 V

2.2 单晶高温合金主要强化元素的作用

镍基高温合金通常含有Cr、Co、W、Mo、Re、Al、Ti、Nb、Ta、Hf、C、B、Zr和Y等十余种合金元素。这些元素在合金中起着不同的作用，如固溶强化、第二相强化和晶界强化等。

Al、Ti、Ta和Nb这些元素是γ'相形成元素，决定着合金中强化相的数量。Al是最主要的γ'相形成元素，且在高温下能形成保护性的氧化膜，提高合金的抗氧化性能。Ti可以改善合金的抗热腐蚀性能，但对合金的抗氧化性能和铸造性能不利，而且Ti含量的增加使共晶难以溶解，增加固溶处理的难度。因此，第三代和第四代单晶高温合金中都将Ti含量控制得很低。Ta偏聚于γ'相，能提高γ'相的固溶温度和强度，同时有效地改善合金的抗氧化和抗热腐蚀性能。Nb提高γ'相的热稳定性，延缓γ΄相的聚集长大过程，但对合金的抗氧化和抗热腐蚀性能不利。

Cr镍基高温合金中Cr主要以固溶态存在于基体中，少量生成碳化物，其主要的作用是增加抗氧化和抗热腐蚀能力。由于单晶高温合金中加入了大量的W、Mo、Nb、Ti、Al和Ta等强化元素，Cr含量过高会降低合金的组织稳定性[17]，造成有害相析出而严重损害合金的强度及塑性。目前，先进单晶高温合金中Cr含量通常控制在5wt.%以下。

Co镍基高温合金中通常含有8~20wt.%的Co元素，其主要作用包括固溶强化、增加γ'相数量、改善合金的塑性及热加工性能并提高组织稳定性。Co在合金中主要分布于γ基体内，产生固溶强化效果，尤其是降低基体的层错能[18]，显著提高合金的持久强度和蠕变抗力。

Mo和W 加入Mo和W后可增强原子间结合力，提高扩散激活能，使扩散过程变慢，从而提高合金的热强性。Mo偏聚于基体能使晶格错配度变得更负，促使界面位错网密度增大，有利于提高蠕变性能[19]。在镍基铸造合金中，W优先分布在枝晶轴上，而Mo则集中于枝晶界，因此W和Mo同时加入能起到综合强化效果。

Re Re是镍基单晶高温合金中最重要的强化元素，能显著提高合金的承温能力。分别加入了3wt.％和6wt.％Re的第二代和第三代单晶高温合金，其使用温度较不含Re的第一代单晶合金分别提高了30℃和60℃。Re在镍基高温合金中具有多种有益作用，如显著降低γ'强化相的长大速率[20,21]；偏聚于γ基体，使γ/γ'错配度变得更负，有利于形成高密度的位错网；在基体中形成短程有序的原子团[22,23]，阻碍位错运动，能获得比传统的固溶强化更明显的强化效果。但近期Mottura等人[24,25]通过三维原子探针、扩展X射线精细吸收结构和第一原理计算等方法并未检测到Re原子团的存在，且第一原理计算表明Re在Ni 中的扩散激活能是所有元素中最大的，因而认为“Re效应”的本质是Re极低的扩散系数抑制了合金中的扩散过程从而提高了合金的高温强度。

Ru镍基单晶高温合金中Ru的作用是降低TCP相的析出倾向和提高合金高温强度[26,27]。Ru通过反分配效应降低了Re等元素在基体中的偏聚程度，因而抑制了TCP相的析出。另有研究认为，Ru不具有反分配效应[28,29]，但能提高合金组织稳定性。关于Ru 的作用机理还有待于进一步深入研究。

C、B、Zr、Hf、Y、Ce和La等微量元素C、B和Zr是高温合金中最重要的晶界和枝晶间强化元素。偏聚于晶界和枝晶间的C和B除了作为间隙元素填充这些区域的间隙、减慢扩散从而降低晶界和枝晶间开裂倾向以外，还形成碳化物和硼化物，强化晶界和枝晶间。Hf在γ΄相中的溶解度比在γ相中要大些，因而更能强化γ΄相，同时又是很强的碳化物形成元素，能阻止M23C6或M6C沿晶界大量析出。加入Y、Ce和La等元素主要用于改善单晶高温合金的抗氧化性能。稀土元素及其氧化物能细化氧化膜的晶粒，提高氧化膜的塑性和粘附力，明显改善合金的抗循环氧化性能。

3 单晶高温合金的强化机理

单晶高温合金是由无序镍基固溶体γ和γ'-Ni3Al相组成的两相材料，其强化途径包括基体和γ'相自身的固溶强化以及两相之间相互作用产生的沉淀强化。固溶强化是由于合金元素的加入使γ相产生晶格畸变，原子间结合力得到提高，降低了固溶体中各元素的扩散能力，阻碍了扩散型形变的进行，从而对合金产生了强化效果。另外，由于固溶体中某种溶质原子（如Re）的不均匀分布，可形成较稳定的原子团，这种原子团的存在能阻碍γ基体

中位错的运动，具有比单独溶质更大的强化作用，使合金的固溶强化效果更加显著[22]。塑性变形通常借助于位错的滑移和交滑移进行，当位错进行交滑移时，通过束集转移到两个滑移面的交线后，形成扩展位错。由于溶质原子分布在滑移面上，提高了层错能，使位错不易扩展，进而提高了材料的屈服强度。

镍基单晶高温合金中γ'相的强化作用取决于γ'相的数量、尺寸和本身固溶强化程度等。γ'相与γ基体保持共格关系，但二者晶格常数存在微小差异，其晶格错配度导致的应力场可对基体中的运动位错产生阻碍作用。合金变形时位错必须以某种方式越过γ'相，而γ'相沉淀强化的作用取决于位错越过γ'的具体方式，通常包括Orowan机制和位错切割机制两种方式。当γ'尺寸较小时，切割机制起作用；而当γ'尺寸较大时，则是Orowan机制起作用。基于γ'相的有序结构特征，不同柏氏矢量的位错切割γ'相，可产生四种层错类型，分别为反相畴界(APB)，内禀层错(SISF)，外稟层错(SESF)和复杂层错(CSF)。随各种层错类型能量的不同，位错可通过多种复杂的形式切割γ'，这都会对γ'相的强化作用产生特定的影响。

单晶高温合金在蠕变过程中，由于温度和应力的共同作用，微观组织产生许多独特的变化，如界面位错网的形成[30]，界面附近合金元素浓度的变化，形成筏状组织，即γ'相沿某个方向发生定向粗化。Tien和Copley[31]最早详细研究了[001]取向镍基单晶高温合金中的γ'形筏现象，后来相继在其它合金中也发现了这种现象[32-34]。Fredholm和Strudel[35]根据筏状γ'的不同特征将其分为两种类型：一种为N型——筏状γ'垂直于外加应力方向；另一种为P型——筏状γ'平行于外加应力方向。这两种筏状组织分别在不同类别的合金与应力状态下形成，具有负错配度的合金受拉应力或正错配度合金受压应力条件下形成N型筏，而负错配度合金受压应力或正错配度的合金受拉应力时形成P型筏。

4 单晶高温合金性能的各向异性

各向异性是单晶金属材料的本征特性。通常，单晶高温合金的拉伸、持久、蠕变、疲劳等力学行为均表现出明显的各向异性。

单晶高温合金在瞬时拉伸过程中具有非常复杂的屈服行为，主要包括：(1)屈服强度存在反常温度效应，即在某一温度范围内屈服应力随温度升高而增加，而在某一温度范围内屈服应力基本保持不变，在峰值温度以上合金的屈服强度急剧下降。(2)在峰值温度以下，屈服强度对应变速率敏感性较低，屈服应力几乎不随应变速率的变化而改变；在峰值温度以上，应变速率敏感性则显著增加。(3)合金的屈服强度具有拉压不对称性，即在拉伸和压缩实验时屈服应力不同。并且，不同取向试样的屈服强度变化不遵守Schmid定律，而取决于晶体取向及具体的合金成分和组织[36-40]。

在不同的拉伸温度下，单晶高温合金屈服变形受不同的变形机制控制[41]。在室温至760℃温度范围内，屈服变形受到γ'剪切机制的控制；在高于760℃变形时，合金的塑性变形主要受位错绕过γ'机制控制，即在热激活作用下的位错攀移和交滑移过程成为影响塑性

流变的主要变形机制。根据变形后的微观组织特征，可将变形温度划分为三个区域。室温下，变形组织为沿{111}面滑移的a/2<110>位错切割γ'相；在高温变形时，变形机制为a/2<110>位错绕过γ'相；中温变形则为由剪切机制向绕过机制转变。

蠕变是温度、应力和取向的函数，温度和应力都会影响不同取向的蠕变性能。 Leverant 等人[42,43]研究了温度和晶体取向对Mar-M200单晶高温合金蠕变性能的影响，认为在中温760℃和871℃时随着偏离[001]取向角度的增加，蠕变寿命显著降低。随着温度的升高，蠕变各向异性降低。MacKay 和Maier [44]对Mar-M247单晶蠕变各向异性进行的研究发现：

11]1[取向的蠕变性能最高，而[011]取向则最低；即使偏离[001]取向相同的角度，靠近反极图三角形[001]-[011]边界的单晶蠕变性能远远好于靠近[001]-11]1[边界的单晶。然而Sass 等[45-46]通过研究CMSX-4单晶高温合金在850℃时初始蠕变阶段的蠕变各向异性发现，

11]1[取向的蠕变强度最低；在980℃时，蠕变各向异性明显降低，但11]1[取向的蠕变强度依然最小。韩国明等[47,48]研究了DD499单晶高温合金持久各向异性，结果如图2所示。可以看出，在760℃中低温条件下[001]取向DD499单晶合金具有最好的持久性能，而[011]和[111]取向的持久性能大幅度降低；当温度升高到1040℃，三个取向单晶合金持久性能的差异明显变小。DD499合金的持久断裂机制与取向和温度有关。在760℃，[001]取向单晶的断裂特征为解理和准解理混合型断裂，[011]取向为单系滑移引起的剪切断裂，而[111]取向为多系滑移引起的剪切断裂；1040℃时，三个取向都表现为微孔聚集型断裂。由此可见，关于三个主取向单晶蠕变性能的优劣存在矛盾的结论。但是，一致的看法认为，随着温度的升高蠕变各向异性降低。

图2 不同取向DD499合金在极图三角形中的位置及其持久寿命[47]

Figure.2 Orientation dependence of the stress rupture life (in hours) of DD499 single crystals ：（a ）760℃/790MPa; (b) 1040℃/165MPa

事实上，γ'相颗粒尺寸的差异可能是上述蠕变各向异性矛盾结论产生的主要原因。Caron 等[49]通过对几种单晶高温合金在中温(760℃～850℃)蠕变性能的研究指出，γ'粒子的尺寸强烈影响蠕变强度和持久寿命。γ'粒子的尺寸为0.5μm 时，[001]取向的蠕变强度和持久寿命最佳，而11]1[取向的蠕变强度和持久寿命显著降低；随着γ'粒子的尺寸降低到0.2μm 时，11]1[取向的蠕变强度显著提高，而[001]取向则恰好相反。

●

20(B)

[111]

[011]

5(C)

456（A ） [001]

● ● ●

185(B)

[111]

[011]

66(C)

135（A ） [001]

●

●

(a) (b)

5 单晶高温合金的凝固

5.1 枝晶竞争生长

定向凝固技术是制备单晶高温合金最为有效的一种方法。为了获得单晶，需要在金属熔体中形成单一生长的晶粒，或者将籽晶引入模壳形腔，而后这个单一晶粒不断长大，直到充满整个型壳。

对于面心立方结构的镍基高温合金来说，<001>取向是其择优生长方向，即生长速度最快的取向。同时，与其它取向相比，<001>取向综合性能最佳。因此，在定向凝固过程中<001>取向的镍基高温合金的生长过程及其与其它取向之间的竞争生长关系，成为研究镍基单晶高温合金定向凝固过程中最为重要的问题之一。

Walton和Chalmers[50]在研究定向凝固过程中晶粒之间的生长关系时，率先提出了枝晶竞争生长模型，认为柱状区中存在的各向异性生长与凝固过程中热力学过冷和成分过冷有关。Rappaz[51]和Gandin[52]系统地总结了这个模型。

近年来，Zhou等[53, 54]通过一系列双晶凝固实验，系统研究了定向凝固过程中不同取向枝晶的生长关系。结果表明，在枝晶汇聚生长过程中，非择优取向晶粒的枝晶可以超过并阻挡择优取向晶粒的枝晶生长(如图3[54]中晶粒A1和B的枝晶所示)，进而可以导致非择优取向晶粒在竞争长大过程中淘汰择优取向的晶粒。而对于枝晶发散生长的情况，仍然是择优取向的晶粒在竞争长大过程中会淘汰非择优取向的晶粒。在汇聚情况下，非择优取向的枝晶能够超过择优取向的枝晶，这是由于枝晶之间存在溶质交互作用引起的。同时，Zhou等利用快淬技术，固定了固、液界面附近枝晶前端的形貌，发现在晶界附近生长的枝晶尖端落后于远离晶界的枝晶，以及非择优取向的枝晶前端可以超过择优取向的枝晶(如图4所示[53])。

图3 Zhou的枝晶竞争生长模型[54]

Fig. 3 Schematic illustration of the Zhou’s model for competitive grain growth.

图4 枝晶尖端二次枝晶间距与定向凝固位置的关系及相应的枝晶形态[53]

Fig.4 Dependence of secondary dendrite arm spacing on the solidified length at the solidification front and schematic diagram showing the correlation of the determined dendrites in the position. Dendrite a1 is ahead of dendrite b1 in (a), while dendrite a1 is behind dendrite b1 in (b).

5.2螺旋选晶过程

对于面心立方结构的镍基单晶高温合金，通常采用螺旋选晶器选取<001>取向的单晶组织。但是，采用螺旋选晶器制备单晶时，获得的单晶一般不会严格按照<001>方向生长，这样就会影响单晶高温合金性能的稳定性。因而，如何设计选晶器模型，是高效地制备更接近<001>取向单晶的关键因素。

螺旋选晶器由起始段和螺旋段两部分组成。起始段主要作用是为了优化晶粒取向，获得接近<001>取向的晶粒；而螺旋段主要作用是高效地选出单晶。Epishin和Nolze[55]研究了螺旋选晶器的选晶过程，发现起始段主要靠晶粒之间的竞争生长优化取向，而螺旋段则利用几何阻挡作用选取单晶。Dai等人[56]研究了在固定螺旋段外径和转数的情况下，改变起始角和螺矩对选晶过程的影响，结果表明，降低螺旋段起始角和螺矩，能提高螺旋段选晶效率。Meng等人[57]研究了单晶高温合金的螺旋选晶机理，分析了选晶器螺旋直径和起始角对选晶行为的影响，结果如图5所示。随着选晶器螺旋段外径减小，起始角增加，选出单晶高度增加，选晶效率降低。当选晶器螺旋段外径为9mm，起始角为70o时无法选出单晶。但是，如果外径过大，起始角过低时，在选晶器螺旋段中又容易形成杂晶。因此，选晶器螺旋段的外径和起始角应在一定范围内选取，这样就可以获得理想的单晶组织。

5.3定向凝固缺陷

单晶高温合金构件通常具有复杂的几何形状，在单晶生长过程中可能出现杂晶、亚晶界、取向偏离等缺陷，导致单晶部件性能恶化。因此，如何有效预测和控制凝固缺陷成为单晶高温合金研究的重点之一。

图5 不同选晶器的（a ）选取单晶高度，（b ）选出单晶取向，（c ）晶粒组织[57]

Fig. 5 Required heights of single crystal selection (a), selected grain orientations (b) and grain structure (c) in 6 different selectors.

杂晶通常是指一些随机取向的晶粒，与原始晶粒形成大角或小角晶界，造成材料性能大幅度下降。而单晶叶片缘板具有特殊的几何结构，容易成为杂晶等凝固缺陷集中形成的区域。Pollock [58]和 Meyer [59]等人的研究表明，叶片中杂晶等缺陷的形成主要与过冷度和溶质分布有关。Napolitano and Schaefer [60]等研究了叶片缘板中枝晶生长导致小角晶界形成的过程。Newell [61] 和Souza 等[62]发现缘板中形成的小角晶界是由于枝晶生长过程中产生的收缩应力引起的，并且小角晶界的偏差会发生累积。Yang [63]等利用有限差分法模拟了缘板中枝晶生长和杂晶形成过程，发现无论是增加抽拉速率，还是增加等温线的倾斜角度，都会提高缘板边缘杂晶形核的几率。Standford 等[64]和Yang 等[65]对籽晶回熔区的杂晶形核做了系统的研究，发现杂晶形核发生在定向凝固的初始阶段，形核区集中在回熔界面上方靠近型壳表面的3mm 范围内。 Gu 等[66]认为籽晶回熔区的熔体对流导致半固态区二次枝晶的断裂，而这些枝晶碎片移动到枝晶尖端前沿，然后在液体中形成杂晶。

对于叶片上的杂晶，多采用模拟的方法来分析。Napolitano 和Schaefer [60]认为平台附近等温线是凹状的，如图6所示，在凝固到平台区时，截面积增加，过冷增大，侧向的二次枝晶快速长大。靠近型壳处有较大的过冷度，使三次枝晶快速长大。此时型壳附近的三次枝晶到达顶部后若达到临界过冷度，就会产生分枝，从左往右生长，阻碍枝晶长大而形

6 (70o )

5 (60o )

4 (50o )

3 (40o )

2 (30o )

1 (20o )

成杂晶。

图6 铸件的等温线分布示意图（a）和铸件几何平台枝晶生长示意图（b）[60]

Figure 6 (a)The general shape of the isotherms as estimated from the microstructure of the casting, (b) A schematic representation of growth into the platform region, illustrating the difference in the dendritic patterns due to the effect of the platform geometry and the through-thickness gradient

亚晶界是单晶高温合金中容易出现的凝固组织缺陷。亚晶界的产生和非平直的固液界面形状有关。由于界面热流方向不能保持与试样轴向一致，由界面温度梯度和固液界面各向异性共同作用的结果，使得枝晶的生长形态发生改变，由此导致亚晶界的产生。单个亚晶界对单晶高温合金组织和性能的影响是比较小的。但大量亚晶粒聚集将使单晶体宏观三维晶体取向发生明显的偏转。O. Lavigne等[67]发现MC632合金在高温下，取向偏差超过10°的亚晶界处会有胞状区域产生。在铸件凝固过程中，非平直固液界面导致的亚晶界在宏观上可形成发散的枝晶组织，这种发散组织影响单晶体取向的一致性，因此影响单晶高温合金性能。

6单晶高温合金的制备技术

定向凝固技术是制备单晶高温合金最为有效的方法。高温合金熔体在定向凝固过程中，为达到单一方向生长单晶的目的，必须满足两个条件：一是未凝固的熔体有足够的过热度，保证在界面前沿有正的温度梯度，并在凝固过程中固液界面保持平直；二是避免型壳壁面激冷形核或凝固界面前沿内生形核。基于以上两个原则，发展了多种定向凝固方法。

发热剂法（EP）和功率降低法（PD）是较早发展起来的定向凝固方法，但是这些方法散热方式受到局限，无法获得较大的、稳定的温度梯度，难以制备高质量的单晶体。

高速凝固法（HRS）是借鉴了Bridgman晶体生长技术特点而发展起来的。该方法采用一种传动装置，在凝固时铸型与加热器之间依靠这种装置发生相对移动，而且铸型加热器始终加热。在加热区底部使用隔热挡板和水冷套，可以在挡板附近产生较大的温度梯度，细化组织，控制晶粒尺寸。这种方法的主要特点是：铸型以一定速度从炉中移出，或者炉子移离铸型，并采用辐射换热方式冷却。采用这种方法可以避免炉体对已凝固合金的影响，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所制备的柱晶组织较细密而且均匀，提高了铸件

的性能，是目前高温合金定向凝固工艺中应用最为广泛的一种方法。

液态金属冷却法（LMC）是另一种重要的定向凝固工艺，且能达到比HRS法更高的温度梯度和凝固速率。该方法的工艺过程与HRS基本相同，如图7所示[68]，但冷却介质不同。当合金熔体浇入铸型后，以一定的速度将铸型拉出炉体，浸入液态金属冷却剂中。液态金属冷却剂主要采用具有熔点低、沸点高、热容量大和导热性能好等特点的金属液，如Ga-In合金和Ga-In-Sn合金，以及Sn液和Al液等。由于液态金属与凝固界面之间换热系数很大，因此这种方法进一步提高了凝固过程中铸件的冷却速度和固液界面前沿的温度梯度，并使之保持稳定。因而，晶粒的生长能够在更加稳定的条件下进行，可以获得较长的单向柱晶。目前，液态金属冷却法在制备大尺寸的定向和单晶叶片时应用较为广泛。

近年来，研究人员开始关注激光熔化沉积[69-71]。激光快速熔凝时，熔池和基材金属密切接触，可使熔池获得非常大的温度梯度和冷却速度，故能细化合金的枝晶组织，降低元素偏析，是一种比较有潜力的单晶制备方法。今后，随着对定向凝固过程研究的不断深入，将会出现更多更先进的定向凝固技术。

图7 高速凝固法和液态金属冷却法定向凝固示意图[68]

Fig.7 Comparison of the DS processes: (a) traditional HRS process, and (b) LMC process

7 结语

经过几十年的发展，单晶高温合金已经在合金设计方法、定向凝固工艺、组织结构与力学性能关系等方面取得了重要进展，是先进航空发动机涡轮叶片的首选材料。通过建立和完善更有效的合金设计方法以及采用更先进的单晶制备技术仍可以进一步提高合金的高温强度。随着航空发动机设计的不断发展，单晶高温合金材料研制及其叶片制备具有更广阔的发展空间。在今后的研究工作中，单晶高温合金的研究主要侧重以下几个方面：（1）

继续追求高强度。大量添加Al、Ti、Ta等元素，保证γ'强化相的数量，同时增加W、Mo、Re等难熔金属的含量，提高合金的固溶强化效果。通过研究合金元素偏析行为、分布特征、扩散规律及其对合金中第二相（γ'相、碳化物、TCP相等）析出行为和高温变形过程中组织演化的影响，确定合金元素的交互作用和最佳匹配关系，充分发挥合金元素的强化作用，避免出现TCP相，提高合金在高温服役环境下的组织稳定性。（2）提高抗热腐蚀性能。通过加入适量的W、Ta等难熔金属和足够高的Cr含量，在保证必要的高温强度同时，提高单晶高温合金的抗热腐蚀性能，使其能在海洋等腐蚀性环境中长期而稳定地工作。（3）发展低密度、低成本单晶高温合金。单晶高温合金经历了从第一代的无Re合金到第二代的含3%Re合金，再发展至第三代含6%Re的合金以及在高Re基础上加入Ru的第四代和第五代合金，虽然合金的承温能力不断提高，但合金的密度明显增加，同时其居高不下的昂贵价格严重限制了这些合金的工程化应用。需要系统研究单晶高温合金中Re、Ru的强化机制以及与其它元素的交互作用，寻求减少和替代Re、Ru的技术途径，探索低成本、高性能单晶高温合金的设计思路。

致谢作者感谢本课题组李金国、于金江、刘金来、孟祥斌、韩国明、刘源、卢琦、张炫、孟杰、梁静静和储昭贶等同志对本文撰写所做出的贡献。

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